基于磁懸浮技術家用空調旋轉式壓縮機設計可行性分析

熊枝林 李尚平

摘要：當前家用空調由于機械軸承摩擦消耗能量大、噪聲大，同時冷凍油在制冷劑傳遞的作用下也會造成制冷效率低，在這種背景下，本文基于磁懸浮技術，探討一種家用空調旋轉式壓縮機設計，實現空調的節能提效，并進行可行性分析。

關鍵詞：磁懸浮技術；家用空調；旋轉式壓縮機；節能提效

隨著時代的發展和經濟水平的提升，家用空調的使用密度逐漸增大，在優化了生活和工作環境的同時，也造成了大量的能源消耗。因此空調的節能提效迫在眉睫，而想要在技術上達到節能提效比較難，這也使得空調的節能消費成為了用戶的巨大需求[1]。空調運行壓縮機轉子轉動后，機械軸承摩擦，降低了壓縮機性能和空調能效。此時壓縮機內會使用冷凍油，而冷凍油在制冷劑的傳遞作用下會形成熱阻，大大降低了空調的制冷效率。本文設計一種基于磁懸浮技術的家用空調旋轉式壓縮機，以期解決以上問題。

一、設計思路及工作原理

（一）設計思路

在磁懸浮技術下，旋轉式壓縮機通過可控電流在電磁鐵上形成非接觸的可控電磁力，實現對轉子的位置控制，保證軸承不存在物理性的接觸；同時通過對傳感器的適應位移，來對轉子位置進行監測，實現對電流大小的實時調整，從而有效調整磁場力的大小，將轉子順利偏移到中心位置。一個簡單的磁懸浮系統有控制器、位移傳感器、轉子、執行器（見圖1）。而執行器中有包含了兩個部分，即功率放大器以及電磁鐵。

在參考位置上，若有一個向下的擾動影響轉子，將會導致轉子偏離參考位置，此時轉子偏離參考位置的位移，可通過傳感器檢測出來，而檢測出的位移通過控制器的微處理器轉變為控制信號；之后控制信號將由功率放大器將其轉變為控制電流，控制電流在執行磁鐵中形成磁力，對轉子產生驅動力，讓其回到之前的平衡位置。即轉子即使受到向下、向上的擾動，在這種系統的影響下，也能夠回到平衡的狀態。

旋轉式壓縮機是傳統滾動活塞式壓縮機中的一種，結構上其氣缸是固定的，葉片與氣缸以及端蓋間有一定的配合間隙，增大了內部泄漏量；同時轉子的運轉為偏心運轉，提升了摩擦損失[2]。基于磁懸浮技術的旋轉式壓縮機，運轉方式上轉子在運行狀態中始終處于懸浮，不會產生運動摩擦；結構上其葉片與氣缸和端蓋之間連接較為緊固，很大程度上減小了相互間的配合間隙，降低了泄漏量，提升了壓縮機性能，實現了空調的節能提效。

（二）工作原理

旋轉式壓縮機中，轉子和磁懸浮軸承的構成見圖2。其1表示輔助軸承，壓縮機未運行時，轉子放置其上方；壓縮機運行時，轉子則會在空中懸浮，脫離輔助軸承。在壓縮機系統中，輔助軸承的功能不僅僅是保護轉子，同時也保護壓縮機內的其他結構。其2表示徑向傳感器，是對轉子的徑向偏移進行檢測。其3表示前徑向軸承，與其7后徑向軸承起到制約徑向兩個平動和轉動的作用。其4表示推理軸承，可有效對轉子的軸向運動產生制約；其5表示高頻電極，為整個運行提供機能。其6是轉子，提供旋轉的磁場。其8是軸向傳感器，對轉子的軸向偏移進行檢測。3和7均具備線圈，在通電之后，在電生磁的原理下，繞組線圈能夠形成環形磁場，磁場力會對轉子產生影響，使其在空間內懸浮；與此同時軸承之間并無摩擦力，能夠起到節能的作用。

二、以節能提效為基礎進行可行性分析

某小區A棟樓建筑面積432m2，建筑高度103m，2016年以前，小區空調主機采用自然式溴化鋰機組，2016年初小區節能改造后，空調主機使用磁懸浮旋轉式壓縮機機組作為冷源，冷量達525kW；同時保留自然式溴化鋰機組作為熱源和冷源補充，制熱達1865kW，制冷達2110kW。

改造后，小區A棟樓在2016年初到2017年初全年節能62萬kWh，節能比率為47.9%，全年節約運行費用超過50萬。同時，A棟樓總耗能7月份最高，11月份最低。在2015年底改造時，家庭內多臺空調均表示使用年限較長，空調老化嚴重，制冷COP值從1.12降低到0.82，無法滿足夏季的正常供冷；而在改造后，壓縮機冷量總值達到483kW，同時制冷COP值一直超過1.12以上。

三、結論

本文提出了一種采用磁懸浮技術的家用空調旋轉式壓縮機設計，讓轉子懸浮在空中并保持工作，有效減小壓縮機的軸承摩擦；同時以節能提效為基礎分析了某小區A棟樓2016年初到2017年初全年的節能數據，結果顯示改造前后節能達到62萬kWh。綜上所述，磁懸浮技術在家用空調旋轉式壓縮機上的使用，有助于解決當前存在的機械軸承摩擦耗能大問題，實現了空調節能提效的目的。

參考文獻：

[1]邱鋮鋮，葉婷婷，鄭衛剛.新型磁懸浮技術的滾動轉子式空調壓縮機設計[J].變頻器世界， 2016（5）：9496.

[2]孫興偉，竇汝桐，孫鳳，等.磁懸浮驅動式無油渦旋壓縮機驅動力分析[J].機床與液壓， 2017（19）.